Calor y Energía - IES Salvador Serrano
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Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano CALOR Y ENERGÍA 1.- Introducción. 2.- Energía interna. 3.- Temperatura. a) Concepto. b) Medida. Escalas termométricas. 4.- Calor. a) Concepto. b) Propagación. c) Efectos: Dilataciones, cambios en la temperatura, cambios de estado. 5.- Calor y trabajo. Primer Principio de la Termodinámica. 6.- Degradación de la energía. Segundo Principio. 7.- Máquinas térmicas. 1.- INTRODUCCIÓN El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil. Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos. La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes –en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad- a los cuerpos fríos, había ocupado un lugar destacado en la física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos que científicos tales como Benjamín Thomson (17531814) o Humphrey Davy (1778-1829) realizaron. Una vieja idea tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boyle resurgió de nuevo. El propio Thompson (conde de Rumford), según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas «viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo». Las experiencias de Joule (1818-1889) y Mayer (1814-1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo. Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buena muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la física permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos. Calor y Energía Página 1 Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano 2.- ENERGÍA INTERNA Los sistemas o cuerpos, considerados como un todo, tienen una energía potencial asociada a su posición respecto de la Tierra y una energía cinética asociada a su estado de movimiento. Desde el punto de vista microscópico. Las partículas que constituyen la materia: átomos, moléculas o iones, están en movimiento al azar, cualquiera que sea su estado de agregación. Las partículas se trasladan, vibran y rotan en torno a posiciones más o menos fijas. Debido a estos movimientos, a las partículas se les asocian unas energías cinéticas internas. Además, las partículas interaccionan entre sí con fuerzas de tipo atractivo o repulsivo, que les obligan a mantener una posiciones relativas entre sí. Por tanto, también se les asocia una energía potencial interna. Denominamos energía interna (U) de un sistema a la suma de todos los tipos de energías asociadas a todas las partículas: átomos, moléculas o iones, que lo constituyen. La energía interna de un sistema depende de la cantidad de partículas que posea, del estado de movimiento de las mismas y de las interacciones entre ellas. La cantidad de energía interna que posee un sistema no se puede determinar, ya que supondría conocer las velocidades, posiciones relativas e interacciones de las partículas en un instante determinado. Pero, afortunadamente, se pueden determinar las variaciones de la energía interna de un sistema. Los sistemas modifican su energía interna por intercambio de energía con el entorno, en forma de trabajo o de calor. Los sistemas no tienen trabajo ni calor, poseen energía interna. El trabajo y el calor son manifestaciones de las variaciones de la energía interna de los mismos. 3.- TEMPERATURA Las nociones científicas de calor y temperatura se apoyan en la idea intuitiva que nos transmite nuestro propio cuerpo. Así, esa sensación fisiológica revelada por el tacto, que permite clasificar los cuerpos en fríos y calientes, da lugar a la idea de temperatura y por extensión a la de calor. Sin embargo, la física va más allá de estas nociones intuitivas y busca representaciones que puedan ser expresadas en forma numérica, esto es, como magnitudes o atributos medibles. a) La noción de temperatura La experiencia demuestra que cuando dos cuerpos, uno frío y otro caliente, se ponen en contacto durante un tiempo prolongado, terminan por alcanzar un estado de equilibrio entre ambos que se denomina equilibrio térmico. En ese estado no es posible distinguir cuál de ambos está más frío y cuál más caliente. La propiedad que tienen en común los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico es precisamente la temperatura. Junto con esta definición descriptiva de lo que se entiende en física por temperatura, con frecuencia se utiliza otra definición de tipo operacional, que indica mediante qué procedimiento u operación queda determinada dicha magnitud. Según este criterio la temperatura sería lo que miden los termómetros. Ambas definiciones de temperatura hacen referencia a fenómenos observables y facilitan un estudio científico de los mismos, pero no explican en qué consiste realmente esa magnitud que, Calor y Energía Página 2 Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano aparentemente, no mantiene relación alguna con las otras magnitudes de la física como la longitud, la masa, el tiempo o la fuerza, por ejemplo. El desarrollo de una teoría cinética para la materia fue realizado sobre la base de esas viejas ideas a las que se refería Thompson, con aportaciones sucesivas de científicos tales como Clausius (18221888), Maxwell (1831-1879), Boltzmann (1844-1906) y Gibbs (1839-1903), y proporcionó una explicación a la noción de temperatura y a otros conceptos clave para la comprensión de los fenómenos caloríficos. La teoría cinético-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las diferentes partículas, átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están en continuo movimiento (en griego kinesis significa movimiento). En los cuerpos sólidos este movimiento es de vibración en torno a puntos fijos o de equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante, a consecuencia de los choques de las moléculas del gas entre sí y con el recipiente que las contiene. En los líquidos, como estado intermedio, pueden darse ambos tipos de movimientos moleculares. La teoría cinético-molecular establece que la energía asociada a esos movimientos moleculares internos es la responsable de los fenómenos caloríficos, y llega a demostrar que cuando se promedian las energías cinéticas individuales de las partículas en movimiento, la energía que resulta es directamente proporcional a la temperatura del cuerpo expresada en grados Kelvin. Junto a la definición de la temperatura, basada en nuestro sentido del tacto y apoyada en la observación de los fenómenos correspondientes, que la presenta como una propiedad que caracteriza el grado de calor de los cuerpos y rige su transmisión de unos a otros, la teoría cinética propone otra, compatible con la anterior, pero que ofrece la ventaja de explicar cuál es su naturaleza. La temperatura es una medida del nivel de esa agitación térmica o interna de las partículas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energía cinética media. Cuanto mayor es la energía media de agitación molecular, tanto mayor es la temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los termómetros. b) La medida de la temperatura A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros. El funcionamiento de todos los termómetros está basado en el cambio de alguna propiedad física de un objeto producido por la variación de la temperatura. Algunas de las propiedades que se usan son: volumen de un líquido, longitud de un alambre, resistencia eléctrica de un conductor, presión de un gas, ... c) Escalas termométricas En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquélla le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está Calor y Energía Página 3 Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros. Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones: a) La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida. b) La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos. e) El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande. Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados. El científico sueco Anders Celsius (1701-1744) construyó por primera vez la escala termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica. Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el valor del grado centígrado o grado Celsius (ºC) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos. En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grados Fahrenheit (ºF). La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación: t(ºF) = 1,8 · t(ºC) + 32 donde t(ºF) representa la temperatura expresada en grados Fahrenheit y t(ºC) la expresada en grados Celsius o centígrados. La escala de temperaturas adoptada por el SI es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,16 ºC. Este punto llamado cero absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala centígrada viene dada por la ecuación: T (K) = t (ºC) + 273,16 siendo T (K) la temperatura expresada en grados Kelvin o simplemente en Kelvin. 4.- CALOR La energía térmica es la forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el caliente comunica energía al frío; la energía que se cede de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperaturas es precisamente el calor. Puesto que el calor es energía intercambiada, su unidad, en el SI será también el julio. Otra unidad de calor tradicionalmente muy utilizada el la caloría, cuya equivalencia con el julio es: 1 cal = 4’18 J Calor y Energía Página 4 Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano Esta forma de intercambio de energía produce en los cuerpos cambios observables, tales como variaciones de su temperatura, dilataciones y contracciones y cambios de estado. Un símil hidráulico permite aclarar las diferencias entre los conceptos de temperatura, calor y energía térmica. Se dispone de dos recipientes cilíndricos de igual altura situados en una mesa horizontal, la superficie de cuyas bases están en la relación de uno a diez. Se trata de un vaso y de una probeta. Si se llena completamente de agua la probeta y el vaso sólo hasta la mitad, debido a su distinta capacidad, el primer recipiente contendrá cinco veces menos agua que el segundo. A pesar de ello, si se conectaran entre sí mediante un tubo de goma, el agua fluiría de la probeta al vaso y no al revés. La transferencia de agua de un recipiente al otro se ha llevado a cabo en virtud no del volumen almacenado, sino del nivel alcanzado por el agua en cada uno de ellos antes de comunicarlos. En el caso de los fenómenos caloríficos la transferencia de energía térmica se produce de un modo semejante, puesto que ésta se cede no del cuerpo que almacena más energía térmica al cuerpo que almacena menos, sino del de mayor al de menor temperatura. La temperatura puede ser asimilada por tanto al nivel de energía térmica, y el calor puede ser comparado con la cantidad de agua que un recipiente cede al otro al comunicarlos entre sí. La interpretación, desde el punto de vista de la teoría cinética, puede facilitarse si se comparan las moléculas de los cuerpos con bolas en movimiento. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto se produce una cesión de energía a nivel molecular. El cuerpo de mayor temperatura poseerá moléculas con mayor energía cinética que podrán ceder a las del cuerpo de menor temperatura, del mismo modo que una bola rápida que choca con una lenta la acelera; este tránsito de energía mecánica microscópica, cuyo efecto conjunto es el calor, se mantendrá en tanto aquéllas no se igualen. Utilizando de nuevo el símil de las canicas, un conjunto de treinta bolas que se mueven despacio no pueden ceder energía cinética por choques a una sola bola que se mueva más deprisa. Por el contrario, tras una colisión, la bola única cedería energía a alguna o algunas del conjunto de treinta. La energía total del grupo es seguramente muy superior a la de la bola única, sin embargo y a efectos de transferencia, lo que cuenta es la energía media por bola. Análogamente, si un vaso de agua hirviendo se arroja al mar a pesar de ser éste un importante almacén de energía térmica, la cesión de calor se producirá del agua del vaso a la del mar y no al contrario. La idea que sobre la temperatura introduce la teoría cinética al definirla como una medida de la energía cinética media de las moléculas, permite, pues, explicar por qué las transferencias de calor se producen siempre en el sentido de mayor a menor temperatura. Propagación de Calor La propagación de calor es el proceso por el que se intercambia energía entre cuerpos diferentes o partes de un cuerpo debido a una diferencia de temperaturas. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. Conducción: En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. La conducción es un mecanismo de transporte de energía sin transporte de materia. Calor y Energía Página 5 Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Convección: Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. Por tanto, en el fenómeno de la convección, para que se produzca el transporte de energía se necesita que se transporte también la materia. Radiación: La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. Es éste un mecanismo de transporte de energía sin transporte de materia. Efectos del calor: Dilataciones y Contracciones Denominamos dilatación al incremento de tamaño que experimenta un cuerpo debido a un aumento en su temperatura. Al calentar un sistema material (sólido, líquido o gas), aumenta su temperatura y la agitación de sus partículas. La mayor amplitud de los movimientos produce una separación mayor entre las partículas y el cuerpo se dilata. La mayoría de las sustancias aumentan de tamaño al calentarlas. a) Dilataciones en sólidos El proceso de dilatación en sólidos es algo de importancia crucial a la hora de fabricar cualquier objeto; aunque los sólidos se dilatan o contraen poco, las fuerzas que aparecen en estos casos pueden llegar a ser grandes, por lo que es necesario tenerlas muy en cuenta. En el estudio de las dilataciones de sólidos debemos tener en cuenta las dimensiones principales del cuerpo, de forma que podemos hablar de dilatación lineal, superficial o cúbica (dependiendo de que en la forma del cuerpo predomine una longitud, dos o tres). El valor de la dilatación lineal, superficial o cúbica de un sólido depende de: la magnitud inicial (Lo, So, Vo), de la variación de temperatura (∆T) y del material del que esté hecho ese sólido, caracterizado por el coeficiente de dilatación (lineal λ, superficial σ o cúbico γ). De acuerdo con esto, experimentalmente se obtienen las siguientes relaciones: ∆L = Lo · λ · ∆T o bien: L = Lo (1 + λ · ∆T) ∆S = So · σ · ∆T o bien: S = So (1 + σ · ∆T) ∆V = Vo · γ · ∆T o bien: V = Vo (1 + · γ ∆T) Calor y Energía Página 6 Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano Los tres coeficientes de dilatación está relacionados entre sí, y de forma aproximada podemos considerar que: σ=2·λ y γ=3·λ Como podemos comprobar, la unidad de los tres coeficientes es K-1. b) Dilataciones en líquidos y gases En el caso de líquidos y gases, se utiliza predominantemente la dilatación cúbica, pero en estos casos el tratamiento de esta cuestión se debe de hacer desde un punto de vista más amplio, ya que los fluidos están contenidos en recipientes sólidos que también se ven afectados por las dilataciones y contracciones. De hecho, en el caso de los gases habitualmente se trata este aspecto utilizando las relaciones entre las variaciones de temperatura y las de presión. Efectos del calor: Cambios en la temperatura La experiencia pone de manifiesto que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica. Q = c · m · (Tf - Ti) donde Q representa el calor cedido o absorbido, m la masa del cuerpo y Tf y Ti las temperaturas final e inicial respectivamente. Q será positivo si la temperatura final es mayor que la inicial (Tf > Ti) y negativo en el caso contrario. La letra c representa la constante de proporcionalidad correspondiente y su valor es característico del tipo de sustancia que constituye el cuerpo en cuestión. Dicha constante se denomina calor específico. Su significado puede deducirse de la ecuación anterior. Si se despeja c, de ella resulta: El calor específico de una sustancia equivale, por tanto, a una cantidad de calor por unidad de masa y de temperatura; o en otros términos, es el calor que debe suministrarse a la unidad de masa de una sustancia dada para elevar su temperatura un grado. La unidad de calor específico en el SI es J/kg · K Efectos del calor: Cambios de estado Al calentar un sólido, el movimiento de las partículas aumenta y con ello los desplazamientos. Llega un momento que, a una temperatura determinada, la estructura del sólido se desmorona y funde. Durante la fusión la energía intercambiada en forma de calor permite vencer la atracción entre las partículas y separarlas para que adquieran estructura de un líquido. Al aumentar la separación, crece su energía potencial sin que haya cambio en su energía cinética media y la temperatura permanece constante. Al calentar el líquido sus partículas se mueven cada vez más deprisa, y aquellas que están en la superficie y que son más rápidas que la media vencen la cohesión y se evaporan, pasando al estado vapor. Cuanto más elevada sea la temperatura, mayor es el número de partículas que se evaporan. Calor y Energía Página 7 Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano Cuando la temperatura del líquido llega a un valor determinado, gran cantidad de partículas se mueven con tal velocidad que pasan al esta gaseoso desde todos los puntos del recipiente. En ese momento el líquido hierve, es la ebullición. Mientras el liquido hierve la temperatura permanece constante y la energía intercambiada se emplea en separar a las partículas a una distancia tal que la cohesión es prácticamente nula, aumentando con ello su energía potencial y por tanto su energía interna. Se denomina calor latente (L) a la energía intercambiada por 1 kg de sustancia al efectuar un cambio de estado. Q=m·L Dependiendo del cambio de estado, la magnitud L recibe los nombres de calor latente de fusión Lf, de vaporización Lv y de sublimación Ls. El valor de estas magnitudes es el mismo para los dos sentidos del cambio, es decir, para la fusión y para la solidificación. La unidad de calor latente en el SI es J/kg. 5.- CALOR Y TRABAJO. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA. Si calor y trabajo son ambos formas de energía en tránsito de unos cuerpos o sistemas a otros, deben estar relacionadas entre sí. La comprobación de este tipo de relación fue uno de los objetivos experimentales perseguidos con insistencia por el físico inglés James Prescott Joule (1818-1889). Aun cuando efectuó diferentes experimentos en busca de dicha relación, el más conocido consistió en determinar el calor producido dentro de un calorímetro a consecuencia del rozamiento con el agua del calorímetro de un sistema de paletas giratorias y compararlo posteriormente con el trabajo necesario para moverlas. La energía mecánica puesta en juego era controlada en el experimento de Joule haciendo caer unas pesas cuya energía potencial inicial podía calcularse fácilmente de modo que el trabajo W, podía calcularse como variación de la energía mecánica. Por su parte, el calor liberado por la agitación del agua que producían las aspas en movimiento daba lugar a un aumento de la temperatura del calorímetro y la aplicación de la ecuación calorimétrica permitía determinar el valor de Q y compararlo con el de W. Tras una serie de experiencias en las que mejoró progresivamente sus resultados, llegó a encontrar que el trabajo realizado sobre el sistema y el calor liberado en el calorímetro guardaban siempre una relación constante y aproximadamente igual a 4,2. Es decir, por cada 4,2 joules de trabajo realizado se le comunicaba al calorímetro una cantidad de calor igual a una caloría. Ese valor denominado equivalente mecánico del calor se conoce hoy con más precisión y es considerado como 4,184 joules/calorías. La consolidación de la noción de calor como una forma más de energía, hizo del equivalente mecánico un simple factor de conversión entre unidades diferentes de una misma magnitud física, la energía; algo parecido al número que permite convertir una longitud expresada en pulgadas en la misma longitud expresada en centímetros. Calor y Energía Página 8 Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano Primer Principio de la Termodinámica En todos los procesos que se realizan en la naturaleza se cumple que la variación de la energía interna que experimenta un sistema que no intercambia materia con el exterior es igual a la suma de las energías intercambiadas en forma de trabajo y en forma de calor: ∆U = Q + W Esta expresión es una consecuencia de la ley de conservación de la energía y se denomina Primer principio de la termodinámica. Para aplicar correctamente el Primer principio hay que asignar un criterio de signos a la energía intercambiada. Seguiremos el convenio recomendado por la IUPAC, según el cual el intercambio de energía tiene signo positivo cuando aumenta la energía interna del sistema. Lo resumimos en la ilustración anterior. Q<0 Q>0 Sistema W> W< 0 ∆U = Q + 6.- DEGRADACIÓN DE LA ENERGÍA. SEGUNDO PRINCIPIO. En la naturaleza hay transformaciones que nunca ocurren y que sin embargo, no están prohibidas por la ley de la conservación de la energía. Al mezclar agua caliente y agua fría siempre se obtiene agua templada; nunca se observa que en un recipiente con agua templada se separe de forma espontánea, a una parte el agua fría y a la otra agua caliente. Al caer una maceta desde el alféizar de una ventana se transforma energía potencial gravitatoria en energía cinética y al golpear contra el suelo, acaba por aumentar la energía interna del suelo y de sus pedazos. Esta energía interna no es capaz de intercambiarse para volver de nuevo a energía potencial gravitatoria. La energía mecánica se transforma fácilmente y se puede intercambiar íntegramente en forma de calor para aumentar la energía interna de un sistema, como en e1 caso de cuerpo que se desliza por una superficie con rozamiento. Por el contrario, es imposible transformar íntegramente energía interna en energía cinética. Por tanto, los dos sentidos del intercambio de energía calor trabajo no son cualitativamente equivalentes. La naturaleza lleva implícito el sentido en el que se realiza una transformación. El Primer Principio indica que la energía se conserva en cada transformación. El Segundo Principio determina que la energía no se puede transformar como se quiera, la energía se degrada durante las transformaciones y evoluciona hacia formas menos útiles. Una forma de energía es tanto más útil cuantas más transformaciones pueda realizar. Las energías cinética y potencial gravitatoria son de alta calidad. Calor y Energía Página 9 Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano 7.- MÁQUINAS TÉRMICAS Las máquinas térmicas son dispositivos que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica. Calor absorbido Calor cedido Trabajo realizado El funcionamiento de las máquinas térmicas se basa en un proceso ideal de trasformación del estado de un fluido propuesto en 1824 por el francés Sadi Carnot, el llamado Ciclo de Carnot. Las máquinas térmicas funcionan entre dos focos a distintas temperaturas: la caldera y el refrigerante. Al quemar el combustible disminuye la energía interna de éste, que se intercambia en forma de calor con el foco caliente (Qh). Parte de esta energía se transforma en trabajo (W) y el resto se intercambia en forma de calor con el foco frío (Qc), aumentando la energía interna del mismo. De acuerdo con el principio de conservación de la energía: |Qh| = |W| + |Qc| En la realidad la naturaleza se comporta de una forma peculiar: las transformaciones que pueden ocurrir en una máquina térmica no son reversibles, de forma que utilizando una de ellas no es posible transformar toda la energía interna intercambiada por el combustible en trabajo, parte de esa energía se intercambia siempre en forma de calor con el refrigerante. Este hecho se utiliza también como enunciado del Segundo Principio, que podríamos dejarlo así: En una máquina térmica es imposible que todo el calor intercambiado con el foco caliente se transforme en trabajo, siempre habrá una parte del calor que pase al foco frío. El rendimiento de una máquina térmica viene dado por: rendimiento µ = W Q = h Q h − Q Q c h Como consecuencia del Segundo Principio, se demuestra que el máximo rendimiento de una máquina térmica depende de las temperaturas de la caldera (foco caliente) y del refrigerante (foco frío), de acuerdo con la expresión: T −T µ= h c Th Calor y Energía Página 10 Departamento de Física y Química I.E.S. Salvador Serrano RELACIÓN DE EJERCICIOS DEL CALOR 1. Una máquina recibe 4’5·102 kJ de calor y cede un trabajo de 0’1 kwh. ¿Cuánto varía su energía interna? (Sol.: 90 kJ) 2. Calcula el calor que hay que comunicar a un anillo de oro de 8 g de masa para elevar su temperatura de 15 ºC a 25 ºC. Dato: Ce(oro) = 0’0031 cal/g·ºC (Sol.: 10’36 J) 3. Un motor se emplea para agitar agua de un depósito que contiene 100 kg de agua. El motor suministra una potencia de 8 CV. Si se supone que todo el trabajo realizado por el motor se invierte en calentar el agua, ¿cuánto tiempo se necesita para aumentar la temperatura del agua desde 15 ºC a 20 ºC? Dato: Ce (agua) = 4180 U.I. (Sol.: 355 s) 4. Una bola de plomo de 50 g cae desde una altura de 100 m. Por efecto del choque con el suelo el 70% de su energía es absorbida por el plomo en forma de calor, ¿Cuánto aumentará su temperatura? Dato: Ce (plomo) = 1’32·103 U.I. (Sol.: 5’2 ºC) 5. Al mezclar 5 litros de agua a 40 ºC con 8 litros de agua a 25 ºC, la temperatura final de la mezcla es de 29’5 ºC. ¿Está el recipiente aislado del exterior? Dato: Ce (agua) = 4180 U.I. (Sol.: no está aislado, se han emitido al exterior 69 kJ) 6. Tenemos 105 kg de hielo a -10 ºC y queremos convertirlos en vapor de agua a 100 ºC, a presión constante. La energía necesaria se suministra mediante un calentador eléctrico y el kwh cuesta 20 pesetas. ¿Cuál es el importe energético del proceso? Datos: Ce (agua líquida) = 4180 U.I.; Ce (hielo) = 2050 U.I.; Lf = 3’34 · 105 U.I.; Lv = 2’26 · 106 U.I. (Sol.: 1768 pts) 7. Calcula el calor necesario para fundir una barra de hierro de 20 kg de masa que se encuentra a 15 ºC. Datos: Tª fusión del hierro: 1535 ºC; Ce (hierro) = 0’11 cal/g·ºC. Lf = 6’06 cal/g.(Sol.: 3’46 · 106 cal) 8. ¿Qué cantidad de hielo a 0 ºC hay que mezclar con 50 g de agua a 70 ºC para que todo el hielo se funda y la temperatura final sea 0 ºC? Datos: Ce (agua) = 4180 U.I. Lf = 3’34 · 105 U.I. (Sol.: 44 g) 9. Un calorímetro contiene 1’43 kg de hielo a – 18 ºC y se introducen 290 g de vapor de agua a 100 ºC. Calcula la temperatura de equilibrio. Datos: Ce (agua líquida) = 4180 U.I.; Ce (hielo) = 2050 U.I.; Lf = 3’34 · 105 U.I.; Lv = 2’26 · 106 U.I. (Sol.: 33’9 ºC) 10. Un sistema cede 2’3 kcal de energía en forma de calor y un trabajo de 1’2 kJ. Averigua la variación de energía interna. (Sol.: -10’8 kJ) 11. Una bala de plomo es detenida por un obstáculo cuando su velocidad es de 300 m/s. Si el 30% de su energía es absorbida por la bala, ¿cuánto varía su temperatura?. Dato: Ce (plomo) = 130 U.I. (Sol.: 103’8 K) 12. Se mezclan en un calorímetro 1’43 kg de hieo a 0ºC con 725 cm3 de agua a 70 ºC. ¿Se fundirá todo el hielo? ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla? 13. Calcula la variación que experimenta la energía interna de 2’3 kg de plomo a 327’3 ºC cuando se funde a presión atmosférica. Se desprecia la variación de volumen que se produce. Datos: Tª fusión (plomo) = 327’3 ºC; Lf (plomo) = 2’45 · 10 4 J/kg. (Sol.: 5’63 · 10 4 J) Calor y Energía Página 11
